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來(lái)源：西科控股 | 2022年09月28日 13:52:00
光子對電子并不是替代關(guān)系，準確地講光子產(chǎn)業(yè)是對電子產(chǎn)業(yè)的升級，能夠催生新的產(chǎn)業(yè)現在是否應全面布局人工智能時(shí)代的基礎設施，大力發(fā)展培育光子芯片，引領(lǐng)未來(lái)的“消費光子時(shí)代”？隨著(zhù)國內相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，中外差距正日益縮小，且我國在局部已具有領(lǐng)先優(yōu)勢
文 | 米磊
隨著(zhù)全球集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入“后摩爾時(shí)代”，其進(jìn)一步提升的難度與時(shí)間成本都非常之高。在面向“后摩爾時(shí)代”的潛在顛覆性技術(shù)里，光子芯片已進(jìn)入人們的視野。其所具有的高速度、低能耗、工藝技術(shù)相對成熟等優(yōu)勢，能夠有效突破傳統集成電路物理極限上的瓶頸，滿(mǎn)足新一輪科技革命中人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等產(chǎn)業(yè)對信息獲取、傳輸、計算、存儲、顯示的技術(shù)需求。也因之國際巨頭正投入大量資源進(jìn)行研發(fā)，目前已對傳統芯片形成部分替代，并在5G通信、大數據中心等領(lǐng)域開(kāi)拓了大量新應用。
對我國而言，既要在傳統賽道電子芯片領(lǐng)域盡快補短板，也要盡早在光子芯片等新賽道布局發(fā)力。雙管齊下，抓住新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的機遇，努力爭取實(shí)現“非對稱(chēng)趕超”。
光子學(xué)是與電子學(xué)平行的科學(xué)
芯片是人類(lèi)信息技術(shù)史上的一次變革性突破。從石器時(shí)代的壁畫(huà)、巖畫(huà)，到農業(yè)時(shí)代的竹簡(jiǎn)、活字印刷術(shù)，再到工業(yè)時(shí)代的電話(huà)、電報、電視，人類(lèi)信息生成、傳輸、處理、存儲等載體發(fā)生了多次變革。從本質(zhì)上講，芯片就是通過(guò)利用半導體材料的物理特性來(lái)實(shí)現對承載信息的微觀(guān)粒子（電子或光子等）的操控，進(jìn)而實(shí)現信息生成、傳輸、處理、存儲等的一種關(guān)鍵技術(shù)。
電子芯片是利用電子來(lái)生成、處理和傳輸信息的，光子芯片則是利用光子來(lái)生成、處理、傳輸并顯示信息的。
自19世紀末、20世紀初物理學(xué)發(fā)現電子以來(lái)，人類(lèi)開(kāi)辟了電子技術(shù)的新時(shí)代。通過(guò)在半導體材料上對電子進(jìn)行操控，人類(lèi)實(shí)現了通過(guò)電子來(lái)生成、處理和傳輸信息，實(shí)現了信息技術(shù)的跨越式發(fā)展。從首個(gè)電子管被制造出來(lái)，到晶體管誕生，半導體技術(shù)不斷發(fā)展。直到集成電路被發(fā)明出來(lái)，電子芯片成為現代信息技術(shù)的基石，推動(dòng)人類(lèi)社會(huì )進(jìn)入了微電子科技時(shí)代。電子芯片誕生以來(lái)，經(jīng)過(guò)六七十年的發(fā)展，圍繞它已形成一個(gè)成熟、龐大的產(chǎn)業(yè)體系，帶動(dòng)了信息產(chǎn)業(yè)、軟件行業(yè)和消費電子產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，催生了CPU、操作系統、PC、手機、筆記本電腦等數萬(wàn)億的產(chǎn)值以及下游互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等應用領(lǐng)域幾十萬(wàn)億的產(chǎn)值。
光子學(xué)是與電子學(xué)平行的科學(xué)?？茖W(xué)家普遍認為，光子可以像電子一樣作為信息載體來(lái)生成、處理、傳輸信息。荷蘭科學(xué)家最早提出“以光子作為信息載體和能量載體的科學(xué)”。中國科學(xué)院西安光機所首任所長(cháng)龔祖同院士（學(xué)部委員）在1978年9月召開(kāi)的第二屆全國高速攝影會(huì )議的發(fā)言中提到，激光問(wèn)世以后，與其聯(lián)系著(zhù)的光子學(xué)逐步成長(cháng)。1979年，錢(qián)學(xué)森教授在《中國激光》上著(zhù)文，首次提出“光子學(xué)、光子技術(shù)和光子工業(yè)”的構想，并認為以集成光路為核心的光子計算機的運算能力可以超過(guò)電子計算機百倍、千倍乃至萬(wàn)倍。
電子學(xué)有四個(gè)基本要素，分別是作為載體的電子、作為傳輸介質(zhì)的電纜和電路、發(fā)電機和晶體管。與之對應，在光子學(xué)中信息載體是光子，傳輸介質(zhì)是光波波導和光纖，激光發(fā)射器好比發(fā)電機，光電調制元件相當于電子開(kāi)關(guān)和電子晶體管。
從發(fā)展路線(xiàn)來(lái)看，電是從電學(xué)開(kāi)始到電子學(xué)，再到電子回路、電子集成、電子系統、電子工程，最后到電子產(chǎn)業(yè)。光是從光學(xué)開(kāi)始到光子學(xué)、光子回路、光子集成、光子系統、光子工程，最后到光子產(chǎn)業(yè)。根據底層的科學(xué)邏輯可以判斷，人類(lèi)一定會(huì )進(jìn)入微光子學(xué)時(shí)代，利用微光子技術(shù)進(jìn)行元器件的大規模集成必定會(huì )實(shí)現。
第四屆進(jìn)博會(huì )技術(shù)裝備展區集成電路專(zhuān)區現場(chǎng)（2021年11月5日攝） 張建松攝/本刊
光子芯片是否會(huì )替代電子芯片
在電子芯片發(fā)展已有六七十年、產(chǎn)業(yè)已經(jīng)很成熟的情況下，為什么要發(fā)展光子芯片？
一是以電子為載體的技術(shù)發(fā)展已趨近物理極限。當下集成電路是以硅為基礎材料的，硅原子的直徑約為0.22納米，當制程降至7納米以下時(shí)，極易出現電涌和電子擊穿問(wèn)題，也就是已經(jīng)很難完美地控制電子了。雖然代表全球最頂尖水平的臺積電仍然在不斷地進(jìn)行3納米及2納米的技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)能投資，但業(yè)內人士普遍認為集成電路的尺寸微縮最多到2030年就會(huì )達到物理極限，亟需尋找創(chuàng )新發(fā)展的出路。
二是電子芯片尺寸降到極致時(shí)會(huì )出現“功耗墻”難題。比如，巨大的耗能壓力就是計算機發(fā)展的最大技術(shù)障礙之一。雖然國內外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界進(jìn)行了大量努力，但由于CMOS半導體功耗密度已接近極限，所以必須尋找新途徑、新結構、新材料。
三是過(guò)去幾十年中處理器的性能以每年約55%的速度提升，而內存性能的提升速度約為每年10%，長(cháng)期累積下來(lái)，不平衡的發(fā)展速度造成了當前內存的存取速度嚴重滯后于處理器的計算速度，訪(fǎng)存瓶頸導致高性能處理器難以發(fā)揮出應有的功效。簡(jiǎn)單來(lái)講，就是大量信息存儲不過(guò)來(lái)、計算不過(guò)來(lái)。
四是電子芯片性能提升的同時(shí)，性?xún)r(jià)比在降低。業(yè)界普遍認為，28納米是芯片性?xún)r(jià)比最高的尺寸。根據SEMI國際半導體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì )的芯片主流設計成本模型圖，采用FinFET工藝的5納米芯片設計成本已是28納米工藝設計成本的近8倍，更復雜的GAA結構的設計成本只會(huì )更高，這僅是芯片設計、制造、封裝、測試中的設計環(huán)節。制造環(huán)節的晶圓代工廠(chǎng)的研發(fā)、建廠(chǎng)、購買(mǎi)生產(chǎn)設備耗費的資金會(huì )更多，比如三星在美國得克薩斯州計劃新建的5納米晶圓廠(chǎng)預計投資高達170億美元。
那么，光子芯片能夠解決電子芯片解決不了的難題嗎？
有物理基礎的人應該知道，電子是費米子，是有質(zhì)量的物質(zhì)，所以在傳輸信號時(shí)會(huì )因為質(zhì)量的慣性產(chǎn)生較多的能量損耗；光是玻色子，是物質(zhì)之間的相互作用力，靜止質(zhì)量為零，傳輸信號時(shí)能量損耗小。
與電子相比，光子作為信息載體具有先天的優(yōu)勢：超高速度、超強的并行性、超高帶寬、超低損耗。
一是在傳輸信息時(shí)光子具有極快的響應時(shí)間。光子脈沖可以達到fs量級（飛秒量級），信息速率可以達到幾十個(gè)Tb/s，性能能夠提升數百倍。二是光子具有極高的信息容量，比電子高3~4個(gè)量級。采用光交互系統的新型使能技術(shù)可以實(shí)現低交換延遲和高傳輸帶寬。三是光子具有極強的存儲和計算能力，能以光速進(jìn)行超低能耗運算。四是光子具有極強的并行和互連能力。光子是玻色子，不同波長(cháng)的光可用于多路同時(shí)通信。五是光子具有超低的能耗表現。1bit信息的能耗，光子器件比電子器件低3個(gè)數量級，僅為電子器件的千分之一。
如今，科學(xué)家們的期望，就是能夠像芯片控制電子那樣可靠地控制光子，以獲得更好的性能。
以能耗的視角來(lái)看，目前以集成電路為基礎的數字產(chǎn)業(yè)能耗與日俱增，據測算未來(lái)五年它可能會(huì )發(fā)展至消耗掉全球20%的電力供應。如果沒(méi)有技術(shù)變革或突破，未來(lái)人類(lèi)極有可能要在信息數據和能源之間做出選擇。而以光子芯片為基礎的技術(shù)路線(xiàn)，理論上有望將數字產(chǎn)業(yè)能耗降低至電子芯片的千分之一。因此，發(fā)展更為節能的光子技術(shù)，也是實(shí)現碳中和目標的關(guān)鍵一環(huán)。
同時(shí)，光子技術(shù)的應用并不局限于芯片，其發(fā)展還可能推動(dòng)人類(lèi)更好地利用最大的“光子發(fā)射器”——太陽(yáng)，以進(jìn)一步挖掘能源領(lǐng)域的潛力。
根據底層的科學(xué)邏輯，可以預見(jiàn)光子學(xué)、光子技術(shù)、光子產(chǎn)業(yè)將和電子學(xué)、電子技術(shù)、電子產(chǎn)業(yè)一樣高速發(fā)展。值得注意的是，雖然光子和電子相比有上述提及的優(yōu)勢，但從產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度來(lái)看，光子對電子并不是替代關(guān)系，準確地講光子產(chǎn)業(yè)是對電子產(chǎn)業(yè)的升級，能夠催生新的產(chǎn)業(yè)。
光子能夠對現有的電子芯片性能進(jìn)行大幅度提升，解決電子芯片解決不了的功耗、訪(fǎng)存能力和計算機整體性能等難題。更為重要的是，過(guò)去電子芯片主要應用于計算和存儲領(lǐng)域，而光子芯片可以在信息獲取、信息傳輸、信息處理、信息存儲及信息顯示等領(lǐng)域催生眾多新的應用場(chǎng)景。
在信息獲取方面，激光雷達、光傳感將在人工智能、自動(dòng)駕駛、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域形成新的應用場(chǎng)景。在信息傳輸方面，形成了5G、光通信、量子通信等為代表的應用場(chǎng)景，產(chǎn)業(yè)規模巨大。在信息處理方面，形成了光子計算、量子計算等應用場(chǎng)景，未來(lái)將大幅度提升計算機性能。在信息存儲方面，5D激光存儲、光收發(fā)模塊等將形成云計算與大數據中心等新的應用場(chǎng)景。在信息顯示方面，將形成VR、AR及microLED等新的信息顯示應用場(chǎng)景。此外，光子芯片在生命健康、超導材料以及國防裝備等方面，將形成神經(jīng)光子學(xué)、免疫分析、高超音速武器等新的重大應用場(chǎng)景。
可以說(shuō)，信息時(shí)代的基礎設施是電子芯片，人工智能時(shí)代將更多地依托光子芯片，光子芯片是未來(lái)新一代信息產(chǎn)業(yè)的基礎設施和核心支撐。
光子芯片是中國的重大戰略機遇
科技發(fā)展史印證了一個(gè)事實(shí)：誰(shuí)能抓住一個(gè)時(shí)代的革命性技術(shù)，誰(shuí)就能夠成為一個(gè)時(shí)代的領(lǐng)航者。英國利用機械革命實(shí)現了對古代中國的超越，美國利用電子技術(shù)實(shí)現了對英國的超越。中國要實(shí)現新的超越，應抓住光子技術(shù)革命的重要機遇。
一輪科技革命紅利擴散的周期大約為60年。從20世紀60年代開(kāi)始，集成電路作為革命性技術(shù)推動(dòng)了信息化的發(fā)展，到現在已經(jīng)過(guò)去了60年，開(kāi)始進(jìn)入科技紅利擴散的衰退期。2008年以美國次貸危機為代表的全球經(jīng)濟衰退，本質(zhì)上就是上一輪科技革命推動(dòng)力衰退的體現。
當下全球經(jīng)濟發(fā)展急需新一輪科技革命的驅動(dòng)。作為集成電路的“非對稱(chēng)性”技術(shù)，光子芯片有望成為信息領(lǐng)域新的底層技術(shù)支撐。
目前，全球光子芯片產(chǎn)業(yè)剛剛起步，作為獨立于電子集成技術(shù)的新集成技術(shù)，其技術(shù)壁壘還沒(méi)有形成，這為我國光子芯片提供了足夠的研發(fā)時(shí)間與市場(chǎng)空間，也為我國信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了巨大的機會(huì )。
近年來(lái)，我國在光子集成方面取得了一定的進(jìn)展，著(zhù)眼于光子集成技術(shù)實(shí)施了一系列重大研究計劃，包括973、863、國家自然科學(xué)基金重大項目等。雖然過(guò)去國內在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域處于落后狀態(tài)，但隨著(zhù)研究基礎的加強及技術(shù)人員的不懈努力，目前國內已經(jīng)具備了光子集成芯片研究條件，并且擁有巨大的光子芯片市場(chǎng)前景。
芯片由電到光的轉換，是我國實(shí)現趕超的戰略機遇。
在基礎理論方面，中國與美國基本處于同一水平?，F代光學(xué)理論源于愛(ài)因斯坦的原子輻射研究，基于愛(ài)因斯坦的研究設想，美國科學(xué)家于1960年發(fā)明了世界上第一臺紅寶石激光器。1961年，中國科學(xué)院長(cháng)春光機所就研制出了中國第一臺紅寶石激光器。自現代光學(xué)產(chǎn)生以來(lái)，我國始終保持著(zhù)持續的投入和研究，在基礎理論研究方面一直與美國齊頭并進(jìn)。
在技術(shù)方面，中外各有優(yōu)勢。比如，在光子集成技術(shù)研究方面，我國中科院西安光機所、中科院微電子所、中科院半導體所、上海微系統所和上海交大、清華大學(xué)、浙江大學(xué)、華中科技大學(xué)等都進(jìn)行了長(cháng)期研究，國家針對光子集成技術(shù)也實(shí)施了一系列重大研究計劃，在光子集成技術(shù)方面取得了很大的成就。目前世界上最高的光子集成規模為2014年實(shí)現的單片集成超過(guò)1700個(gè)功能器件。我國2016年啟動(dòng)的B類(lèi)先導專(zhuān)項——大規模光子集成芯片致力于開(kāi)發(fā)集成器件大于2000的大規模光子集成芯片，并最終實(shí)現了15408個(gè)器件的大規模集成，集成規模世界領(lǐng)先。在光子芯片設計水平方面，我國處于世界一流水平。曦智科技設計出了全球首款光子計算芯片原型板卡，最新的單個(gè)芯片可集成12000個(gè)光子元器件，一些算法的實(shí)測性能已超過(guò)英偉達gpu的100倍，在光子計算領(lǐng)域領(lǐng)先國外。洛微科技發(fā)布了目前集成度最高的多通道FMCW激光雷達SoC光子芯片，單個(gè)芯片上可集成3000多個(gè)光子元器件。
在產(chǎn)業(yè)化方面，全球還處于起步孕育期，產(chǎn)業(yè)生態(tài)尚未形成，美國僅具有微弱優(yōu)勢。美國于2004年首次實(shí)現大規模光子集成，2017年下半年英特爾開(kāi)始大批量供應100G產(chǎn)品，標志著(zhù)光子集成真正進(jìn)入到主流應用領(lǐng)域。我國于2012年進(jìn)入規?；呻A段，與美國差距不大。
總體而言，相較于美歐在集成電路、機械等領(lǐng)域擁有數十年的積累優(yōu)勢，我國在光子芯片領(lǐng)域與國外差距較小，與美國的差距僅有5~10年。隨著(zhù)國內相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，中外差距正日益縮小，且我國在局部已具有領(lǐng)先優(yōu)勢。目前全球光子芯片產(chǎn)業(yè)尚未成熟、定型，世界上還沒(méi)有任何一個(gè)公司、任何一個(gè)國家構建出光子集成生態(tài)，這也為我國在“后摩爾時(shí)代”換道超車(chē)提供了巨大空間。
以科技革命的戰略眼光看待光子芯片
全球科技革命是沿著(zhù)機械化、電氣化、信息化、智能化的演進(jìn)規律和邏輯在推進(jìn)的。第一次科技革命是以蒸汽機為代表的機械革命；第二次科技革命是以電為代表的電氣化時(shí)代；第三次科技革命是以集成電路為代表的信息化時(shí)代。過(guò)去200多年，本質(zhì)上是機械和電的時(shí)代，但它們的性能現在已經(jīng)發(fā)展到了極致。下一個(gè)時(shí)代，很大可能將是光+人工智能的時(shí)代——以集成光路為基礎設施的智能化時(shí)代?；仡櫩萍际房梢园l(fā)現，人類(lèi)的技術(shù)變革是由以“機電光算”（機械、電路、光學(xué)、算法）為代表的底層技術(shù)推動(dòng)的。未來(lái)，“機電光算”的發(fā)展趨勢就是芯片化——電發(fā)展到集成電路，光發(fā)展到集成光路，機發(fā)展到MEMS芯片。
未來(lái)光子技術(shù)將變得更加重要，隨著(zhù)摩爾定律瀕臨失效，光子技術(shù)在科技產(chǎn)品中的占比將逐漸增加?；诖?，2016年我們提出了“米70定律”，認為未來(lái)光學(xué)成本將占所有科技產(chǎn)品成本的70%。這一判斷已在很多領(lǐng)域得到驗證。例如，目前通信網(wǎng)絡(luò )建設成本中的70%是光學(xué)成本，包括光學(xué)設備和系統的采購；無(wú)人駕駛汽車(chē)公司已將70%的資金投入到激光雷達等光學(xué)器件上；在顯示領(lǐng)域，液晶面板中光學(xué)成本也占到了70%~80%的比例。未來(lái)，智能手機和智能汽車(chē)上的創(chuàng )新基本都是在光學(xué)方向發(fā)力。如果說(shuō)19世紀是機械的世紀，20世紀是電的世紀，那么21世紀將是光的世紀。
從技術(shù)演進(jìn)和投資方向來(lái)看，美國20世紀70年代開(kāi)始布局信息產(chǎn)業(yè)底層技術(shù)和基礎設施電子芯片，80年代扶持軟件產(chǎn)業(yè)發(fā)展，90年代布局光通信，2000年發(fā)力互聯(lián)網(wǎng)，搭建了完整的互聯(lián)網(wǎng)基礎設施，引領(lǐng)了全球信息產(chǎn)業(yè)革命，獲得巨大的產(chǎn)業(yè)紅利、全球紅利和時(shí)代紅利。
類(lèi)比集成電路技術(shù)“器件系統-小型化-微型化-中小規模集成化-大規模集成化-芯片系統”的演進(jìn)過(guò)程，可以說(shuō)現在集成光路技術(shù)的整體發(fā)展正處于類(lèi)似于上世紀60年代初集成電路的大規模集成階段。在這個(gè)階段，我們需要深入思考：現在是否應全面布局人工智能時(shí)代的基礎設施？是否應該抓住千載難逢的行業(yè)發(fā)展機遇，以極具前瞻性的眼光，大力發(fā)展培育光子芯片，引領(lǐng)未來(lái)的“消費光子時(shí)代”？
近十年來(lái)，歐美發(fā)達國家圍繞光子產(chǎn)業(yè)發(fā)展皆進(jìn)行了系統的部署和行動(dòng)。1991年美國政府便將光子學(xué)列為國家發(fā)展重點(diǎn)，認為光子學(xué)在國家安全與經(jīng)濟競爭方面有深遠的意義和潛力，通信和計算機研究與發(fā)展的未來(lái)世界屬于光子學(xué)領(lǐng)域。此后相繼成立了“美國光電子產(chǎn)業(yè)振興會(huì )”、“國家光子計劃”產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、國家光子集成制造創(chuàng )新研究所。2021年，為確保美國在全球光基礎技術(shù)創(chuàng )新方面保持領(lǐng)先，美國國會(huì )牽頭成立了國家光學(xué)與光子學(xué)核心小組，并投入巨資支持光子技術(shù)發(fā)展。此外，IBM、英特爾、思科等科技巨頭也在光子芯片領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛布局。我國多區域已將光子產(chǎn)業(yè)作為最具戰略性、基礎性、先導性的新興產(chǎn)業(yè)予以部署。北京加快布局建設光電子新型研發(fā)機構，發(fā)起成立光子硬科技投資基金。陜西率先發(fā)布“追光計劃”，致力于打造國內首個(gè)集“新型研發(fā)機構+共性技術(shù)平臺+基金+產(chǎn)業(yè)集群”于一體的“兩鏈”融合光子產(chǎn)業(yè)創(chuàng )新生態(tài)?！盎蚯驅⒁竭_的地方，而不是它已經(jīng)在的地方?！庇?zhù)智能化曙光，未來(lái)將掀起光子技術(shù)產(chǎn)業(yè)革命，類(lèi)似于從電子工業(yè)的晶體管邁入集成電路時(shí)代的技術(shù)革命，集成光路將是半導體領(lǐng)域60年一遇的“換道超車(chē)”重要機遇。光子芯片或將成為第四次科技革命中5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的基礎設施，推動(dòng)人類(lèi)社會(huì )邁進(jìn)“光子時(shí)代”。
（作者為陜西光電子先導院執行院長(cháng)）■
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